基于多相场模型的二元合金层片生长研究

摘要

材料的微观组织决定材料的宏观性能及使用寿命，共晶层片组织是一种普遍存在的微观组织形态，其多存在于功能材料及结构材料相变过程中。如何有效的控制共晶凝固过程中微观组织的形成及深刻理解其形成规律，成为凝固研究领域中一个核心问题。但是共晶微观组织具有其复杂性，有效控制其生产过程需要涉及大量的参数，全部运用实验的手段研究这些参数对共晶生长过程的影响规律是不现实的。近年发展起来的数值模拟技术使得以上的研究成为可能，微观组织的数值模拟不但可以降低实验成本，还大大缩短了实验周期。
　　 相场法是微观组织模拟手段中最常见的一种，其广泛用于各种材料微观组织的模拟过程。相场模型中包括相场、温度场、流场等，其通过求解这些场的耦合过程来描述微观组织的形成过程，通过改变参数，来研究微观组织凝固过程中这些参数的影响规律，进而达到控制微观组织形成过程的目的。
　　 本文采用共晶多相处模型研究了共晶层片生规律及影响层片稳定性的参数，具体结论如下:
　　 (1)在等温凝固条件下，共晶在凝固过程中，其层片形态随着初始层片间距的改变而改变。综合初始共晶层片间距对共晶、亚共晶、过共晶层片生长模式的影响，可以看出随着初始层片间距与各自相对应的最小过冷度层片间距之间的差距的增大，其层片生长模式发生以下变化过程:规则形态→低幅高对称性震荡→高幅低对称性震荡→形核分叉。可见共晶层片生长模式对初始过冷度层片间距具有敏感性。模拟不同成分下有机合金CBr4-C2C16的层片生长模式，当初始过冷度层片间距偏离最小过冷度层片间距的程度相同时，初始溶质浓度越小，其层片生长模式越稳定。说明共晶层片生长模式对成分改变的敏感性随着成分的增大而增长。
　　 (3)初始界面过冷度跟层片稳定性是负相关，跟凝固速率是正相关，跟固液界面的压强差是负相关。界面自由能跟对层片稳定性的影响是正相关，对凝固速率的影响是负相关，对固液界面的压强差的影响是正相关。液相扩散系数对共晶层片稳定性的影响是正相关，对凝固速率的影响也是正相关，对固液界面的形态的影响较小。
　　 (4)对比模拟结果与实验结果，从定性的角度看，两者的趋势十分相近，说明共晶多相场模型的模拟结果具有十分重要的现实意义。

目录

声明

摘要

“物理量名称及符号”参阅表

第1章 绪论

1．1 课题的背景与意义

1．2 共晶凝固理论的历史进程

1．2．1 经典共晶模型(JH模型)

1．2．2 现代共晶凝固理论的研究进展

1．3 相场法

1．3．1 相场法在凝固微观组织研究领域中的应用

1．3．2 典型的相场模型

1．4 多相场模型

1．4．1 典型的共晶多相场模型

1．4．1 多相场模型的研究进展

1．5 相场法与共晶微观组织模拟的研究现状

1．5．1 相场法的研究进展

1．5．2 共晶多相场模型的研究现状

1．6 本文的主要研究工作及主线

第2章 共晶多相场模型

2．1 朗道理论和金兹堡朗道理论

2．1．1 朗道理论的基本原理

2．1．2 金兹堡朗道理论

2．2 KKS模型

2．3 KKSM共晶多相场模型

2．3．1 相场控制方程

2．3．2 溶质场控制方程

2．3．3 参数的确定

2．4 本章小结

第3章 模型的数值求解及数值模拟

3．1 初始条件及边界条件

3．2 共晶多相场模型的离散

3．2．1 二维空间离散格式

3．2．2 时间离散格式

3．2．3 相场控制方程的离散

3．2．4 溶质场控制方程的离散

3．3 程序的实现

3．4 扰动的设置

3．5 材料的物性参数

3．6 计算结果的可视化

3．6．1 基于Tecplor10软件的模拟结果绘图

3．6．2 基于Origin软件的数据处理

3．7 本章小结

第4章 CBr4-C2Cl6合金共晶生长形貌模拟及结果分析

4．1 计算系统

4．1．1 参数空间

4．1．2 空间参数选择

4．2 层片间距对层片生长模式的影响

4．2．1 共晶成分

4．2．2 亚共晶

4．2．3 过共晶

4．3 层片生长模式影响因素

4．3．1 等温凝固条件下过冷度对层片形态及界面的影响

4．3．2 等温凝固条件下界面能对层片形态及界面的影响

4．3．3 等温凝固条件下液相扩散系数对层片形态及界面的影响

4．3．4 等温凝固条件下外界干扰对层片形态及界面的影响

4．3．5 等温凝固条件典型层片生长形态的溶质分布

4．4 实验结果对比

4．5 分析讨论

4．5．1 共晶层片稳定性分析

4．5．2 共晶固液界面稳定性分析

4．6 本章小结

结论

参考文献

致谢

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